Таблица допустимой нагрузки меди: как читать и определять размеры шин | Завод шинопроводов

Выбор правильного размера медного проводника для проекта промышленного распределения электроэнергии часто начинается с одного вопроса: какой ток может безопасно выдерживать эта шина или кабель? Таблица токовой нагрузки меди дает ответ, но только если вы читаете ее с правильными предположениями. Общие диаграммы, которые вы найдете в Интернете, построены для изолированных проводов внутри кабелепровода в соответствии с Национальными электротехническими нормами и правилами (NEC). Эти цифры не относятся непосредственно к голым медным шинам, установленным на открытом воздухе. В этой статье объясняется, как интерпретировать оба типа диаграмм, приводится справочная таблица метрических медных шин и рассматриваются факторы, определяющие, подойдет ли выбранный размер для вашей конкретной установки.

Что такое пропускная способность и почему она важна для медных проводников

Допустимая нагрузка — это максимальная сила тока, которую проводник может пропускать непрерывно, не превышая его температурного номинала. Физическая логика проста: ток, текущий через проводник, генерирует тепло из-за электрического сопротивления. Проводник достигает стабильной температуры, когда выделяемое тепло равно теплу, рассеиваемому в окружающую среду. Если превысить этот баланс, температура превысит пределы изоляции или механических свойств металла.

Размер проводника является основным фактором, влияющим на токовую нагрузку, но не единственным. Температура окружающей среды, класс изоляции, количество проводников и метод установки — все это меняет окончательное число. Диаграмма токовой нагрузки меди отражает эти переменные в табличной форме, что позволяет вам выбрать размер в зависимости от ваших конкретных условий. Важно отличать токовую нагрузку от номинального тока или мощности короткого замыкания. Допустимая токовая нагрузка представляет собой непрерывный установившийся предел. Устойчивость к короткому замыканию рассчитывается отдельно на основе тепловой энергии (I²t) и должна проверяться независимо.

Как читать диаграмму емкости меди

Наиболее широко используемые таблицы токовой нагрузки медных проводов в США основаны на таблицах NEC 310.15(B)(16) и (B)(17). В этих таблицах предполагается не более трех токоведущих проводников, температура окружающей среды 30°C и напряжение до 2000 В. Если ваша установка отклоняется от этих предположений, вы должны применить поправочные коэффициенты. Перед этим вам необходимо определить, какой столбец таблицы относится к вашему проводнику.

Температурные значения и что они означают

Столбцы 60°C, 75°C и 90°C в таблице токовой нагрузки относятся к максимально допустимой рабочей температуре изоляции проводника, а не к температуре окружающего воздуха. Выбор правильного столбца зависит от типа изоляции и номинальной температуры точек подключения. Например, провод THHN с номиналом 90°C можно выбрать с помощью столбца 90°C, но если он заканчивается на оборудовании с номиналом 75°C, окончательная токовая нагрузка определяется столбцом 75°C. Это распространенный источник ошибок, связанных с превышением размеров при проектировании панелей.

Условия установки в таблице. Допущения.

Значения токовой нагрузки NEC действительны только при указанных условиях установки: не более трех проводников в кабелепроводе или кабеле, температуре окружающей среды 30°C и установке на открытом воздухе или в кабелепроводе, как указано в таблице. Если у вас есть больше проводников, связанных вместе, рассеивание тепла ухудшается, и вам необходимо применить коэффициент снижения мощности. Если температура окружающей среды превышает 30°C, требуется температурный поправочный коэффициент. Эти поправочные коэффициенты указаны в таблицах NEC 310.15(B)(1) и 310.15(B)(2), и они являются обязательными для проектирования, соответствующего нормам.

В таблице ниже показаны типичные значения токовой нагрузки медных проводов на основе таблицы NEC 310.15(B)(16). Эти значения предполагают наличие трех или менее токоведущих проводников в кабелепроводе, температуру окружающей среды 30°C и номинальную температуру изоляции 60°C, 75°C и 90°C.

Эти значения предназначены для электропроводки зданий и общих электроустановок. Они не отражают токовую нагрузку голой медной шины.

Медный провод и медная шина: разные диаграммы для разных применений

Многие инженеры, ищущие диаграмму токовой нагрузки медных проводов, находят таблицы проводов и ошибочно применяют их при выборе шин. При таком подходе размеры шины значительно занижаются. Причина кроется в физических предположениях. Изолированные провода внутри кабелепровода плохо рассеивают тепло, поскольку изоляция действует как тепловой барьер, а кабелепровод ограничивает циркуляцию воздуха. Голые медные шины на открытом воздухе гораздо эффективнее рассеивают тепло за счет конвекции и излучения, поэтому при той же площади поперечного сечения можно проводить значительно больший ток.

Конкретное сравнение проясняет это. Медный провод 2 AWG с изоляцией, рассчитанной на температуру 90°C, пропускает около 130 А по стандарту NEC. Согласно общедоступным данным о медных шинах, голая медная шина размером 1/4 x 2 дюйма (примерно 6,35 x 50,8 мм) пропускает примерно 710 А при повышении температуры на открытом воздухе на 30°C. Оба проводника содержат примерно одинаковую медную массу, но открытая поверхность шины и превосходное охлаждение позволяют ей выдерживать ток, в пять раз превышающий ток. Вот почему при выборе шинопровода используется другая справочная таблица, основанная на повышении температуры, а не на номинале изоляции.

Справочная таблица токовой нагрузки медных шин (метрические размеры)

При выборе промышленных шин определяющим параметром является превышение температуры выше температуры окружающей среды, а не номинальная температура изоляции. В таблице ниже приведены эталонные значения токовой нагрузки для неизолированных медных шин в метрических размерах на основе преобразований из опубликованных данных о токовой нагрузке медных шин. Значения рассчитаны на один голый медный стержень на открытом воздухе, работающий при переменном токе частотой 60 Гц и коэффициенте излучения примерно 0,4 (типично для поверхности, подвергающейся воздействию промышленного воздуха в течение примерно 60 дней).

Эти значения являются техническими справочными данными для первоначального определения размеров, а не окончательными проектными данными. Фактическая токовая нагрузка зависит от конкретного состояния поверхности, конкретного сплава, расположения шин и корпуса. Всегда уточняйте окончательные номиналы у производителя шин или посредством испытаний.

Факторы, влияющие на пропускную способность медных проводов в реальных установках

Справочная таблица предполагает наличие одного голого стержня на открытом воздухе. Реальные инсталляции привносят условия, которые меняют картину. Прежде чем выбрать размер шины, необходимо учесть четыре фактора.

Температура окружающей среды и повышение температуры

Повышение температуры – это разница между рабочей температурой проводника и температурой окружающего воздуха. В приведенной выше таблице предполагается определенная температура окружающей среды. Если в месте установки более высокая температура окружающей среды, тот же ток приведет к более высокой общей температуре проводника. Номинальное повышение температуры должно быть уменьшено, чтобы поддерживать максимальную рабочую температуру проводника. Например, шина, рассчитанная на повышение температуры на 50°C при температуре окружающей среды 30°C, в сумме достигает 80°C. В помещении с температурой окружающей среды 40°C температура той же планки достигнет 90°C при том же токе, что может превысить допустимый предел.

Расположение и корпус проводника

Несколько шин, установленных параллельно, выделяют тепло, которое мешает охлаждению друг друга. Шины внутри закрытого корпуса сталкиваются с ограниченным потоком воздуха, что снижает рассеивание тепла. Закрытый автобусный проезд имеет значительно меньшую токовую нагрузку, чем такие же голые решетки на открытом воздухе. При проектировании линейки распределительных устройств или шинопровода используйте опубликованные производителем номинальные характеристики для всей сборки, а не экстраполируйте однополосные данные на открытом воздухе. Для установок, где пространство ограничено и рассеивание тепла ограничено, компактная шинопроводная система высокой плотности часто является практическим инженерным выбором, поскольку ее корпус и расстояние между проводниками спроектированы с учетом предполагаемого номинала.

Скин-эффект при больших токах

В системах переменного тока переменный ток концентрируется к внешней поверхности проводника — это скин-эффект. По мере увеличения поперечного сечения эффективная площадь токопроводимости уменьшается по отношению к общей площади, увеличивая эффективное сопротивление. Опубликованные таблицы токовой нагрузки шин для приложений переменного тока включают коэффициент скин-эффекта, который увеличивается с увеличением размера шины. Шина размером 120 × 10 мм при частоте 60 Гц не будет пропускать вдвое больший ток, чем шина размером 60 × 10 мм, даже если площадь поперечного сечения вдвое больше. При переходе от шины меньшего размера к шине большего размера примените коэффициент снижения мощности переменного тока из примечаний к таблице. При очень высоких токах рассмотрите возможность параллельного подключения нескольких стержней меньшего размера вместо одного массивного стержня; это улучшает использование площади поверхности и облегчает механическую обработку.

Практические шаги по определению размеров медных шин

Получив эталонную токовую нагрузку, следуйте структурированной процедуре, чтобы преобразовать требования к нагрузке в размер шины. Приведенные ниже шаги отражают стандартную инженерную практику проектирования промышленного распределения электроэнергии.

1. Определить ток нагрузки. Рассчитайте общий ток непрерывной нагрузки и добавьте разумный запас для будущего расширения. NEC обычно требует, чтобы проводник был рассчитан на 125 % продолжительной нагрузки; для систем шин проверьте применимые нормы и спецификации проекта.
2. Определите условия установки. Зарегистрируйте температуру окружающей среды, независимо от того, находится ли шина на открытом воздухе или в закрытом шинопроводе, количество параллельных шин и частоту системы (50 Гц или 60 Гц). Эти факторы определяют, какие поправочные коэффициенты применяются.
3. Выберите предварительный размер из таблицы допустимой нагрузки. Выберите размер шины, токовая нагрузка которой при ожидаемом повышении температуры будет ближе всего к требуемому току, но не ниже него. Используйте столбец с повышением температуры 50°C для типичных применений в закрытых распределительных устройствах и столбец с повышением температуры 30°C для установок с чувствительным оборудованием, находящимся рядом.
4. Примените поправочные коэффициенты. Умножьте значение диаграммы на поправочные коэффициенты для температуры окружающей среды и влияния корпуса. Если пониженное значение все еще превышает ваш ток нагрузки плюс запас, выбор является адекватным. Если нет, перейдите к следующему размеру стержня.
5. Проверьте механические пределы и пределы короткого замыкания. Убедитесь, что выбранная шина соответствует доступному пространству и что ее повышение температуры в реальных условиях корпуса остается в пределах ограничений изоляции или покрытия. Если ток повреждения высокий, выполните отдельную проверку термостойкости при коротком замыкании, используя значение I²t.

Рассмотрим нагрузку в 1000 А при температуре окружающей среды 40°C, установленную внутри закрытого шинопровода. Исходя из таблицы на открытом воздухе, шина 100 × 6 мм при повышении температуры на 50 °C имеет номинал 1290 А. Типичный коэффициент снижения номинальных характеристик закрытой шины для этой конфигурации составляет примерно 0,8, что дает 1032 А. Запас при нагрузке в 1000 А минимален, если добавить необходимый запас безопасности, поэтому шина 80 × 10 мм (1470 А × 0,8 = 1176 А) или стержень 120 × 5 мм (1360 А × 0,8 = 1088 А) будет более безопасной отправной точкой. Именно такого рода корректировка является причиной того, что одного необработанного значения диаграммы редко бывает достаточно для окончательного выбора.

Медная или алюминиевая шина: когда выбирать медь

Медь не всегда является автоматическим решением для любого применения шин. Выбор между медью и алюминием зависит от текущего номинала, занимаемого места, стоимости и воздействия на окружающую среду. Медь имеет примерно 100% проводимость IACS и превосходную коррозионную стойкость, что означает, что медный стержень может быть меньше алюминиевого стержня при том же токе. Алюминий с содержанием IACS около 61% требует большей площади поперечного сечения — примерно в 1,6 раза — чтобы проводить тот же ток, плюс он весит примерно одну треть от веса меди.

Для приложений, где пространство ограничено и надежность соединения имеет решающее значение, медь выигрывает. Стабильный оксидный слой меди остается проводящим, в то время как оксид алюминия является изолятором и требует тщательной подготовки поверхности и специальных разъемов, чтобы избежать появления горячих точек. В прибрежных или промышленных условиях с агрессивной атмосферой естественная коррозионная стойкость меди снижает необходимость технического обслуживания. С другой стороны, меньший вес алюминия делает его привлекательным для длинных шинопроводов и для таких конструкций, как башни ветряных турбин, где вес является конструктивным ограничением. Его более низкая стоимость также имеет решающее значение, когда текущий рейтинг средний и имеется свободное место.

Если вам нужна изолированная трубчатая шина с механическими и термическими преимуществами круглого сечения, то медь и алюминий являются подходящим материалом для проводников. Выбор системы изоляции, такой как трубчатая шина, отлитая из эпоксидной смолы, часто имеет большее значение, чем металл проводника, для диэлектрических характеристик и долгосрочной надежности в суровых условиях.